凸輪機構設計分析畢業(yè)設計

凸輪機構設計分析緒論文檔大全凸輪機構設計分析一、緒論1、1凸輪機構概述低副機構一般只能近似地實現(xiàn)給定運動規(guī)律，而且設計較為復雜。當從動件的位移、速度和加速度必須嚴格地按照預定規(guī)律變化，尤其當原動件作連續(xù)運動而從動件必須作間歇運動時，則以采用凸輪機構最為簡便。凸輪機構由凸輪、從動件或從動件系統(tǒng)和機架組成，是一種高副機構，由具有曲線輪廓和凹槽的構件通過高副接觸帶動從動件實現(xiàn)預期運動規(guī)律。凸輪機構具有結構簡單，可以準確實現(xiàn)要求的運動規(guī)律等優(yōu)點。只要適當?shù)卦O計凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預期的運動規(guī)律。在各種機械，特別是自動機械和自動控制裝置中，廣泛地應用著各種形式的凸輪機構。凸輪機構之所以能在各種自動機械中獲得廣泛的應用，是因為它兼有傳動、導引及控制機構的各種功能。當凸輪機構用于傳動機構時，可以產(chǎn)生復雜的運動規(guī)律，包括變速范圍較大的非等速運動，以及暫時停留或各種步進運動；凸輪機構也適宜于用作導引機構，使工作部件產(chǎn)生復雜的軌跡或平面運動；當凸輪機構用作控制機構時，可以控制執(zhí)行機構的自動工作循環(huán)。因此凸輪機構的設計和制造方法對現(xiàn)代制造業(yè)具有重要的意義。1、2凸輪機構課題研究背景及意義早期的工程技術人員大多采用作圖法繪制凸輪輪廓，這種方法的效率低、精度差、很難精確地得到壓力角和曲率半徑等設計參數(shù)。在CAD二維設計階段，CAD的作用僅僅是使工程人員得以擺脫煩瑣、精度低的手工繪圖，可重復利用已有的設計方案。而如今的CAD三維設計與CAM集成化，使工程人員可以從三維建模開始，進行產(chǎn)品構思設計和制圖，實現(xiàn)了設計數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)缴a(chǎn)的過程，大大簡化了手工工作環(huán)節(jié)。由于計算機技術和各種數(shù)值計算的發(fā)展，使得很多方面的研究得以深入。利用參數(shù)化技術三維CAD可以繪制精確的凸輪。參數(shù)化設計具有造型精確，造型速度快，避免了手工取點造型的復雜過程，完成三維實體模型可以不斷的修改的特點。由于電子技術的發(fā)展，現(xiàn)在某些設備的控制元件可以采用電子元器件，但他們一般只能傳遞較小的功率，而凸輪機構卻能在實現(xiàn)控制功能的同時傳遞較大的功率。因此，凸輪機構在生產(chǎn)中具有無可替代的優(yōu)越性，尤其在高速度、高精度傳動與分度機構及引導機構中，更有突出的優(yōu)點?？梢哉f，對凸輪機構的進一步研究，特別是對高速凸輪機構及其動力學問題的進一步研究，是長期、持續(xù)并有重大意義的工作。現(xiàn)代三維CAD已經(jīng)輻射到對整個制造企業(yè)生產(chǎn)、管理進行全方位的輔助，對制造業(yè)的發(fā)展具有深遠的影響。1、2凸輪機構的研究歷史與現(xiàn)狀凸輪的使用，最早可上溯到東漢時期杰出的科學家張衡發(fā)明的水力天文僅中，至本世紀初，資本主義上業(yè)化的進展要求人們設計出高速自動機槭，以提高飛機、汽車運用內(nèi)燃機配氣機構進行工作的性能，凸輪機構的系統(tǒng)研究隨之展開。凸輪的運動學分析首先是研究它的運動規(guī)律。幾乎所有關于凸輪的專著，都對運動規(guī)律進行了系統(tǒng)介紹。早期設計人員主要研究適臺低速機構的等速、簡諧、擺線、圓弧等基本運動規(guī)律．60年代后，各種適合于中速與高速的優(yōu)良運動規(guī)律相繼提出，基本上滿足了中、高速凸輪機構的要求。日本牧野洋等人提出了簡諧梯形組合運動規(guī)律，韋伯、蓋特曼與弗魯?shù)滤固沟热颂岢鯰富氏級數(shù)運動規(guī)律，斯托達德與福西特等提出了多項式動力運動規(guī)律。近期一些學者又提出一些用樣條函數(shù)設計中的凸輪機構運動規(guī)律，這些運動規(guī)律具有較好的適應性，特別適合于進行動力分析，因曲線生成較復雜。還在進一步研究中。確定從動件運動規(guī)律后，需選擇從動系統(tǒng)類型、進行機構尺寸綜合并設計凸輪輪廓，這是凸輪運動學分析比較困難的一個課題，早期的工程技術人員多采用作圖法繪制凸輪輪廓。這種方式簡易直觀，但效率低、精度差，很難精確的得到壓力角和曲率、半徑等設計參數(shù)。與此同時，許多學者在研究解析法，就某些簡單的運動規(guī)律和特定的凸輪從動件系統(tǒng)提出不同的解析公式和專業(yè)數(shù)表?？唆斈说热朔治隽送馆唹毫牵豢ǜサ葘η砂霃竭M行了探討。隨電子計算機的使用，傳統(tǒng)的圖解法和解析法都得到了新的發(fā)展。圖解法中參進圖形軟件的運用，使凸輪廓繪制更精確，主要設計方法為以CAD軟件為設計平臺，基于圖解法（反轉法）的設計原理，用交互式作圖方法設計凸輪廓線。目前．解析法研究領域側重發(fā)展便于用計算機求解及便于編制通用程序的各種新算法，其中，瞬心法(Polarmethod)可同時確定壓力角、平面凸輪輪廓和凸輪曲率半徑，復變量法。（complexvariablemethod）可同時求得壓力角和曲率半徑，共軛曲面法和等距曲面法用于設計平面凸輪輪廓，對于圓柱與桶型空間凸輪輪廓，多采用平面凸輪的公式進行近似計算，已得到局部輪廓的壓力角與曲率半徑的數(shù)據(jù)精確的計算則必須運用微分幾何及空間曲面嚙合原理。學者們還致力于在基本方法的基礎上建立處理機構設計問題的統(tǒng)一框架框架，安徽大學張玉華和韓國昌原大學辛重鎬等最新提出適用于各種平面凸輪廓設計的通用方法——相對運動法基于反轉原理的通用模型．利用坐標系和齊次坐標變換技術．自從動件相對凸輪運動的的相對速度、相對加速度和從動件的表面法線導出平面凸輪的輪廓方程、壓力角和曲率半徑的一般表達式，一般文獻中開始探討連桿機構、凸輪機構之間的關聯(lián)，用高副低代的方法將凸輪和連桿設計問題統(tǒng)一起來。凸輪機構動力學研究也是當前十分活躍的研究領域，正不斷向縱深發(fā)展?？紤]構件彈性、間隙和其它實際運行田紊建立的動力學模型，使所得結果更接近丁真實的運動情況。XT動力學研究方面的文獻在機構學中占有相當多的篇幅，其中克斯特（Koster)的專著中系統(tǒng)地討論了凸輪機構的動力學模型。目前，動力學研究己從建立單自由度模型發(fā)展到建立涉及許多實際因素的多自自度模型；對凸輪機構進行的有限元分析亦已展開；非線性問題日益受到重視。凸輪機構的材料匹配，以及潤滑問題，在凸輪機構中亦占有重要地位，隨著材料科學、機械加工工藝學、摩擦學等學科的發(fā)展，也得到更完善的解決方法。綜上所述，凸輪機構的研究經(jīng)歷從手動計算到系統(tǒng)的理論模型展開計算機輔助計算，從經(jīng)驗設計到優(yōu)化設計，從單純運動學到到力學分析的發(fā)展過程。1、3凸輪機構國內(nèi)外的研究狀況國外從五、六十年代起就已有許多人運用數(shù)理方法和電子計算機技術研究有關問題，例如配氣機構動力學和凸輪新線形的提出，以及后來進行的凸輪優(yōu)化設計和動力學響應形態(tài)的研究等等。國內(nèi)起步稍遲，復旦大學數(shù)學系在六十年代開始探討凸輪設計和動力學計算等課題。凸輪機構廣泛的應用推動了對它的研究和發(fā)展。隨著對各種機械在速度、效率、壽命等各方面要求的提高，對凸輪機構的研究從最初的外形輪廓和運動設計，以滿足對從動件的簡單位置要求，發(fā)展到考慮動力學、潤滑、誤差影響、彈性變形等，其研究方向已有數(shù)十個。特別是自50年代以來，由于計算機技術和各種數(shù)值方法的發(fā)展，使得很多方面的研究在逐步深入。我國對凸輪機構的應用和研究近年來也有了很大進展。在1983年全國第三屆機構學術會議上關于凸輪機構的論文有8篇，1990年第七屆會議，共有凸輪機構方面的論文22篇，還有含凸輪的組合機構方面的論文6篇。在汽車、內(nèi)燃機、機械制造等有關領域，也有很多關于研究凸輪機構的內(nèi)容。由此可見，我國對凸輪機構的研究是不斷發(fā)展的。但是，與先進的國家相比，我國對凸輪機構的研究仍有較大差距。1、4研究凸輪機構的意義由于電子技術的發(fā)展，現(xiàn)在某些設備的控制元件可以采用電子元器件，但他們一般只能傳遞較小的功率，而凸輪機構卻能在實現(xiàn)控制功能的同時傳遞較大的功率。因此，凸輪機構在生產(chǎn)中具有無可替代的優(yōu)越性，尤其在高速度、高精度傳動與分度機構及引導機構中，更有突出的優(yōu)點?？梢哉f，對凸輪機構的進一步研究，特別是對高速凸輪機構及其動力學問題的進一步研究，是長期、持續(xù)并有重大意義的工作?，F(xiàn)代三維CAD已經(jīng)輻射到對整個制造企業(yè)生產(chǎn)、管理進行全方位的輔助，對制造業(yè)的發(fā)展具有深遠的影響。

二、平面機構解析法圖解法原理介紹2、1解析法原理1）平面矢量的表達方法l:桿矢量OAe:單位矢量et:單位矢量的切矢（反時轉90o）en:單位矢量的法矢（反時轉180o）e=icosq+jsinql=le=l(icosq+jsinq)2）單位矢量的點積運算a·b=abcos(q2-q1)e·i=cosq；e·j=sinq單位矢量在x、y軸上的投影e·e=1單位矢量的自身點積為1（消去q角）e·en=-1兩反向單位矢量的點積為-1（消去q角）e·et=0兩垂直單位矢量的點積為0（消去該矢量）單位矢量的點積為數(shù)量運算，且與次序無關。3）單位矢量的微分運算對q的微分：e′=de/dq=（icosq+jsinq）′=[i(-sinq)+jcosq]=[icos(90o+q)+jsin(90o+q)]=et(et)′=e2=[i(-sinq)+jcosq]′=-i·cosq-j·sinq=en單位矢量對q微分一次即轉90度：e′=et；e2=en對時間t的微分：定長矢量對時間t的微分：4）用解析法進行運動分析的一般步驟1建立坐標系及封閉矢量圖2位置分析3速度分析（將位置方程對時間t微分，得到速度方程，消元、求解出q1、q）4加速度分析（將速度方程對時間t微分，得到加速度方程，消元求解得到q1、q）2、2圖解法原理凸輪機構工作時，凸輪和從動件都在運動，為了在圖紙上繪制出凸輪的輪廓曲線，可采用反轉法。下面以圖示的對心尖端移動從動件盤形凸輪機構為例來說明其原理。

當從動件處于最低位置時，凸輪輪廓曲線與從動件在A點接觸，當凸輪轉過φ1角時，凸輪的向徑OA

將轉到OA′

的位置上，而凸輪輪廓將轉到圖中蘭色虛線所示的位置。這時從動件尖端從最低位置

A

上升到B′，上升的距離s1=AB′?，F(xiàn)在設想凸